Биосфера как фактор геологической эволюции Земли

КСЕ. Семинар 6.

Тема:

Образование и эволюция планеты Земля.

Гипотезы возникновения и эволюции жизни на Земле.

Эволюционные парадигмы в биологии

Вопросы для устного обсуждения на семинаре:

Вопрос 1. Образование и эволюция планеты Земля

- Как развивались взгляды на эволюцию Земли?

- Каковы современные взгляды на образование и эволюцию планеты Земля?

- В чем суть теории геотектоники?

Вопрос 2. Биосфера как фактор геологической эволюции Земли

- Что такое биосфера?

- Что такое биотический круговорот веществ?

- Что такое ароморфозы? Какие крупнейшие ароморфозы выделяют?

Вопрос 3. Гипотезы возникновения жизни на Земле

- В чем суть теории биохимической эволюции?

- Как А.И. Опарин объяснял происхождение жизни на Земле? Можно ли каким-то образом эмпирически подтвердить данную гипотезу.

Вопрос 4. Структурные уровни живого

Вопрос 5. Становление эволюционной парадигмы в биологии. Современные теории биологической эволюции

 

Письменное домашнее задание:

Составьте таблицу:

«Основные этапы становления эволюционной парадигмы в биологии»

Этап	Представители	Основные идеи
Традиционная биология
Классическая теория биологической эволюции
Синтетическая теория биологической эволюции

Материалы для изучения:

Образование и эволюция планеты Земля

В науках о Земле давно сложились эволюционные представления. При измерении возраста Земли сложилось понятие «геологическое время», которое много больше времени существования человечества. Время образования Земли оценивается в 1,5*10¹⁷ с, появление земноводных – 7,5*10¹⁵ с, первобытного человека – 5*10¹³ с, а средняя жизнь одного человека – 2*10⁹ с. Первые представления о возрасте Земли складывались на основе учения об осадочных породах (XVII – XVIII вв.). Затем стали принимать во внимание останки древних организмов (биостратиграфия XIX век). В начале XX века П. Кюри и Ж. Резерфорд предложили использовать изотопную хронологию – радиологический метод. О возрасте объектов стали суть по соотношению материнских и дочерних изотопов радиоактивных элементов: урана – свинца, рубидия – стронция, калия – аргона. Их периоды полураспада 4510 млн лет, 50 млрд лет, 1280 млн лет соответственно.

Изотопная хронология позволила уточнить возрасты пород Земли, самой планеты и построить геохронологическую шкалу. Земля образовалась 4,6 млрд лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве холодного газопылевого вещества, содержавшего все известные в природе химические элементы. Первичное вещество сжималось, принимало форму шара, недра которого разогревались как за счет давления и сильной радиоактивности, так и за счет падения межпланетных обломков и метеоритов. С этим связана химическая дифференциация планеты на оболочки разного состава.

Земля образовалась при температурах выше точки плавления составляющих ее веществ. В результате происходило перемешивание и расслоение – более легкие силикатные элементы выдавливались на поверхность, образуя земную кору, а тяжелые железосодержащие породы опускались глубже, формируя ядро. Радиоактивный распад (в основном урана, тория и калия) еще больше разогревал внутренние области нашей планеты. Разогрев сопровождался бурной вулканической деятельностью, из недр выделялись пары воды и газы, которые входили в состав земных пород. Водяные пары и газы образовали атмосферу. Вода, конденсируясь из пара при охлаждении Земли и океаны, образовала гидросферу.

Первичная атмосфера состояла в основном из водяного пара, углекислого газа, аммиака и метана. Кислород появился в атмосфере вначале из воды в результате фотодиссоциации. Но резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд лет назад в результате зарождения жизни. В составе живого вещества аккумулированы практически все наиболее распространенные элементы земной коры. За счет фотосинтеза содержание углекислого аза уменьшилось, а кислорода существенно увеличилось. Последние 200 млн лет состав атмосферы практически неизменен. Жизнь очень быстро завоевала пространство верхних оболочек Земли, вовлекая всевозрастающие массы вещества в глобальный круговорот. Что повлияло на эволюцию самой планеты.

По современным представлениям, ядро Земли состоит из внутреннего – кристаллический шар диаметром 2500 км, состоящий на 90% из железа, и внешнего жидкого ядер. Ядро сначала формировалось очень быстро до 2,6 млрд лет назад, а затем его рост замедлился.

Железная составляющая ядра ответственна за земной магнетизм. Магнитосфера Земли простирается на сотни тысяч километров. Она направляет потоки заряженных частиц солнечного ветра курсировать между полюсами, защищая тем самым все живое от вредных излучений (подобно озоновому слою атмосферы).

Мантия Земли, расположенная от нижней части земной коры вплоть до земного ядра, находящегося на глубине 2900 км, состоит из нижней, средней и верхней мантий. Постепенно из мантии исчезали соединения железа, опускаясь глубже, и легкие вещества (К₂О, Н₂ и пр.) поднимались. Тем самым росло в процентном отношении количество оксидов кремния и магния (сейчас они составляют 83% состава мантии против 56% в первичном веществе). Вещество мантии жидкое, но обладает большой вязкостью. Для него характерно наличие интенсивных конвективных движений, вызывающих перемещении литосферных плит и переносящих тепло от ядра Земли к другим геосферам. Ближайшие к поверхности слои мантии – это литосфера и астеносфера.

Возраст земной коры составляет 4,5 – 4,6 млрд лет. В 1950-е гг. выяснили, что в состав вещества, из которого формировалась Земля, входили метеориты. Возраст метеоритов также 4.6 млрд лет. Средняя мощность земной коры 35 км (под океанами – 6 км, под материками – 60 км). С появлением атмосферы и гидросферы появились новые факторы – разрушение горных пород под действием ветра и воды, и процессы осаждения разрушенных пород. Земная кора делится на океаническую (плотную и однородную) и континентальную (более легкую и неоднородную по составу). Верхняя часть состоит из осадочных пород. В континентальной коре под осадочными породами располагаются гранитный и базальтовый слои. Океаническая кора тоньше континентальной и не содержит гранитного слоя.

Согласно теории геотектоники, земная кора состоит из 15 жестких литосферных плит, которые плавают на горячем пластичном слое мантии. Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединно-океаническими хребтами и глубокими океаническими желобами. Конвективные потоки в мантии медленно перемещают плиты со скоростями в несколько сантиметров в год. В области срединно-океанических хребтов плиты раздвигаются, горячая мантия поднимается вверх, распространяется в стороны от них, разрывая и расталкивая литосферные плиты. Вещество мантии заполняет образовавшиеся трещины. «Уничтожение» же участков поверхности Земли происходит вблизи океанских желобов. В этих участках океаническая кора, надвигаясь на континентальную прогибается и вместе с осадочными породами уходит под нее. Эти процессы приводят к дрейфу континентов. Континенты могут расходиться друг от друга, и между ними будут образовывать океаны, а также сближаться. Так, 300-200 млн лет назад существовал единый материк Пангея, который образовался из отельных континентов, а потом эти континенты разошлись. Весь цикл, названный суперконтинентальным, длится около 440 млн лет – от начала образования единого материка, расхождения его частей на максимальное расстояние до объединения вновь в один материк.

По-видимому, переход Солнца в состояние белого карлика испарит верхнюю часть мантии – литосферу. Каждая из геосфер имеет большое значение для жизни на Земле. Так литосфера обладает четырьмя экологическими функциями: ресурсной, геодинамической, геохимической и геофизической.

 

Биосфера как фактор геологической эволюции Земли

Круговорот вещества на разных уровнях его организации как форма движения материи представляет собой всеобщий закон развития, закон непрерывной эволюции. Жизненные формы, ассимилируя вещество из окружающего пространства, начинают прогрессивно усложняться и меняют окружающее пространство. Первостепенную роль живых организмов в формировании состава земных геосфер выделил В.И. Вернадский, создав науку биогеохимию (1931). Он считал, что биосфера – это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество. Понятие биосфера – фундаментальное понятие биогеохимии, а не биологическое и не геологическое. Биосфера организует процессы на Земле и около Земли, в ней происходят биоэнергетические процессы и обмен веществ в результате жизнедеятельности. Живое вещество – совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Живой организм – неотъемлемая часть земной коры, способная изменять ее. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строят из них тела, возвращают их в ту же среду в процессе жизни и после своей смерти. В связи с этим живое вещество связывает биосферу воедино и является системообразующим фактором. Изменения в живом веществе происходят существенно быстрее, чем в косном, поэтому в нем используется понятие исторического времени, когда как в косном геологического. В ходе геологических времен растет мощь живого вещества и его воздействия на косное вещество, и только в живом веществе за эти времени происходят качественные изменения.

Биомасса Земли – 2,5*10¹² тонн, то в 2000 раз меньше всей биосферы. Но это окупается высокой активностью живых организмов. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана обменом веществ, ростом и размножением живых организмов. Пример глобальности миграции химических элементов за счет живых организмов – процесс фотосинтеза. В этом процессе за 10 млн лет перерабатывается масса воды, равная всей гидросфере; за 4000 лет обновляется весь свободный кислород; за 6-7 лет поглощается вся углекислота атмосферы.

Биосфера – сложная открытая и далекая от термодинамического равновесия система. Ее устойчивость обусловлена динамическим равновесием, которое устанавливается на всех структурных уровнях организации живой материи. Например, взаимосвязанными циклическими колебаниями численности жертвы и хищника и т.д. Прогрессирующая эволюция и самоорганизация биосферы были бы невозможны без потоков вещества и энергии. Фотосинтез, дыхание и брожение – основные процессы, обусловливающие преобразование энергии в биосфере.

Биотический круговорот веществ – основа динамического равновесия биосферы и ее саморегуляции. В закономерностях круговорота решена проблема развития и длительного существования жизни. Фотосинтезирующие организмы (автотрофы) преобразуют солнечную энергию в химическую энергию синтезируемых органических молекул. Нефотосинтезирующие организмы (гетеротрофы) при дыхании или брожении используют эту энергию и разрушают органическое вещество. Из минеральных соединений, полученных после распада органического вещества, автотрофы вновь синтезируют органическое вещество и т.д. Любая форма жизни (исключая современного человека, хозяйственная деятельность которого не вписывается в биотический круговорот) участвует в биотическом круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы.

Биосфера с течением времени эволюционирует. Все разнообразие проявления жизни на Земле и природных условий – это результат длительного существования и эволюция жизни. Живые организмы не только приспосабливаются к окружающей среде, а активно ее изменяют. То же самое можно сказать и о взаимном влиянии живых организмов в процессе эволюции. Любой биоценоз – это результат коэволюции, т.е. взаимообусловленной эволюции взаимодействующих видов. В истории жизни на Земле различают эпохи постепенного изменения организмов и точки бифуркации (или ароморфозы – приспособления общего характера, поднимающие уровень биологической организации на принципиально новую ступень). Крупнейшие ароморфозы – это верстовые столбы в истории жизни.

 

 

Ароморфоз	Время
Образование клеточной мембраны	Отделение организма от окружающей среды (3,5 млрд лет назад, о чем говорят обнаруженные остатки микроорганизмов с клеточной оболочкой
Возникновение фотосинтеза	Дыхание стало обеспечивать организмы энергией, появился озоновый слой, накопление свободного кислорода усилило давление отбора на первые организмы (1 млрд лет назад содержание кислорода достигло 1 % от современного – так называемая точка Пастера)
Возникновение эукариот, возникновение полового размножения	1,5 млрд лет назад;   1 млрд лет назад
Многоклеточность	750 млн лет назад
Появление плана строения	600 млн лет назад
Взрыв видообразования в кембрии	570 млн лет назад